Молекулярно-динамическое моделирование и восстановление межчастичных потенциалов UO2-PuO2 с использованием графических процессоров

• Автор: Поташников, Святослав Игоревич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Содержание

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ 4

Введение

Г лава 1. Обзор возможностей моделирования и и Ри

1.1. Модель парных межчастичных потенциалов

1.2. Обзор парных потенциалов для 1Ю2 и Ри.

1.3. Обзор работ по моделированию теилофизических свойств

1.4. Обзор работ по моделированию диффузионных свойств.

1.5. Выбор парных потенциалов для сравнения с данной работой.

1.6. Задача Ы тел и метод молекулярной динамики

1.7. Высокоскоростное МДмоделированис.

1.8. Сравнение параллельных архитектур и тенденции их развития
1.9. Постановка задачи МДмоделирования на ОРИ.
ПТОГНьГв о д ы Г 7.Г .
Глава 2. Методика МДмоделирования и восстановления межчастичных потенциалов
2.1. Расчет парных взаимодействий при НГУ
2.1.1 Реализация на СР.
2.1.2. Реализация на ОРЫ.
2.2. Расчет парных взаимодействий при ПГУ
2.2.1. Реализация на СРЫ.
2.2.2. Кэширование тригонометрических операций.
2.2.3. Реализация на вРи
2.2.4. Распараллеливание по системам и распределенные вычисления
2.3. Интегрирование уравнений движения и погрешности.
2.3.1. Погрешности расчета парных взаимодействий с арифметикой одинарной точности.
2.3.2. Термостаты и баростаты
2.3.3. Формулы и код интегратора.
2.3.4. Реализация интегрирования и коррекций на ОРИ
2.4. Восстановление парных межчастичных потенциалов
2.4.1. Оценка равновесного периода решетки
2.4.2. Форма парных потенциалов и размер системы
2.4.3. Минимизация отклонения теплового расширения
2.4.4. Алгоритм оптимизации.
2.5. Выводы.
Глава 3. Моделирование теплофизических свойств и и Ри.
3.1. Методика вычислительных экспериментов
3.2. Аномалии потенциалов Уатас1а.
3.3. Степень ионизации
3.4. Температура плавления
3.5. Тепловое расширение и модуль упругости.
3.6. Энтальпия и теплоемкость.
3.7. Анализ разных составляющих теплоемкости
38гХ ар а ктер и ст и к к Ап и ка.
3.9. Диоксид плутония и МОХ.
3 Выводы.
Глава 4. Моделирование диффузионных свойств 1Ю2 и Ри.
4.1. Методика вычислительных экспериментов.
4.2. Энергия образования дефектов статика решетки
4.3. Самодиффузия анионов молекулярная динамика
4.5. Выводы
Заключение
Список литературы


IV всероссийский семинар СО РАН - УрО РАН «Термодинамика и материаловедение» (Институт химии твердого тела УрО РАН, Екатеринбург, ). НИИАР, Димитровград, ). Всероссийский отраслевой семинар «Физическое моделирование изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях» (НИИАР, Димитровфад, , ). Публикации. По материалам диссертации опубликовано печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК: «Journal of Nuclear Materials», «Вычислительные методы и профаммирование», «Альтернативная энергетика и экология», «Вестник УГТУ-УПИ». Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 8 наименований и содержит 3 сфаницы, рисунков, таблиц. Автор выражает благодарность: своей супруге Маткиной М. А., научному руководителю профессору, д. Купряжкину А. Я., коллегам по научной фупне Боярченкову A. C., Некрасову К. А., Коваленко М. А., Рисованому Д. A.H. Здобнухиной Н. В., Коромыслову A. B., всему коллективу кафедры технической физики Уральского федерального университета; и посвящает эту работу памяти своих родителей Поташниковой О. Н. (-), Поташникова И. Ш. (-). Глава 1. Проведен обзор парных потенциалов для диоксидов урана и плутония, предложенных за последние лет. Показано, что до сих пор отсутствуют универсальные потенциалы, одновременно воспроизводящие теплофизические и диффузионные свойства. Проведен обзор экспериментальных работ и работ по моделированию теплофизических и диффузионных свойств. Показано, что имеющиеся температурные зависимости содержат мало точек с большим шагом, велики погрешности и разброс между данными разных авторов, а диапазоны измерений недостаточно широкие. Проведен обзор метода молекулярной динамики. Показано, что для увеличения производительности необходимо использование параллельных вычислений. Проведено сравнение современных параллельных архитектур. По причине вычислительной ресурсоемкости МД-моделирование таких многоэлектронных элементов как актиниды обычно проводится в приближениях точечных частиц и парных межчастичных взаимодействий. НПП). Параметризацию НПП можно проводить на основе расчетов из первых принципов (ab initio) или эмпирически по известным экспериментальным данным. Кулоновским слагаемым и короткодействием в форме Букингема, Морзе, Леннарда-Джонса и др. Конна-Шэма в приближениях. При эмпирическом подходе минимизируется отклонение некоторых теплофизических макропараметров (рассчитываемых на основе подбираемых парных потенциалов) от экспериментальных значений. Наиболее часто применяются следующие методы расчета (упорядочены по возрастанию вычислительной сложности одной итерации). Гармоническое приближение (вычислительная сложность -1 МД-шаг). Производные термодинамических потенциалов (например, свободная энергия Гиббса), которые включают в себя параметры НПП, связываем с энергией связи, диэлектрическими и эластичными свойствами [1] [2], фононными спектрами [3]. Статика решетки (сложность - МД-шагов). Минимизируем энергию образования точечного дефекта как разницу энергий идеальной и дефектной решетки (подход Мотта-Литлтона) [4]. Молекулярная динамика (сложность 0 МД-шагов). Самосогласованное МД-моделирование температурных зависимостей с учетом кинетических эффектов [5] [6] [7] [8] [9]. Единственный метод, который позволяет напрямую учесть тепловые и ангармонические свойства системы. В настоящее время ab initio расчеты актинид-оксидного топлива проводятся в приближении теории функционала плотности (см. J) без динамики частиц и, следовательно, без учета кинетических (тепловых) и ангармонических свойств системы. Поэтому они не позволяют анализировать температурные зависимости интересующих характеристик. Кроме того, в работе [] отмечается, что даже при использовании одних и тех же приближений с очень близкими параметрами расхождение результатов ab initio расчетов достаточно велико. В то же время, адекватность эмпирической параметризации НПП улучшается параллельно с развитием вычислительных средств и уточнением экспериментальных данных.